Уже сейчас, до развертывания серийного производства, изделие оценивается всего в $500, а по эффективности получения 3D-картинки оно приближается к куда более дорогим устройствам на короткоимпульсных лазерах.

Исследователи из Массачусетского технологического института (США) во главе с Рамешом Раскаром (Ramesh Raskar) показали 3D-камеру, использующую технологию пролётного времени (Time of Flight) — ту самую, что применяется в MS Kinect второго поколения. Она вычисляет местоположение объекта по времени, которое световой сигнал идёт до него и от него.

Рис. 1. Аюш Бхандари, Рафаэл Уайт и Ашута Кадамби — студенты МТИ, участвовавшие в разработке камеры, способной корректно определять расстояние до полупрозрачных предметов вроде этой вазы. (Фото Bryce Vickmark.)

Впрочем, новинка радикально отличается от других устройств, работающих по пролётному времени. Сегодня тот же сенсор Kinect, по сути, не видит полупрозрачных объектов — дождевые капли, туман, стеклянную посуду и прочие ладони с расставленными пальцами — и перестаёт нормально оценивать расстояние до находящихся за ними обычных предметов. Частично отражаясь от капли, а частично проходя через неё, свет дезориентирует улавливающий его пиксел, и это не позволяет технологии в существующем виде найти слишком широкое применение. Ещё интереснее то, что действительно быстро движущиеся объекты могут «сводить с ума» обычные камеры такого типа, поскольку положение объекта меняется быстрее, чем данные по восприятию отражённого от него света.

Новое устройство использует для победы над всеми этими сложностями иную технику кодирования данных, широко используемую в оптоволоконной связи для вычисления расстояния, которое прошёл сигнал.

«Наш метод позволяет кодировать информацию по времени её поступления, — комментирует Рамеш Раскар. — Так что, когда информация возвращается с отражённым световым сигналом, мы используем вычисления, хорошо отработанные в телекоммуникационной индустрии, чтобы оценить разные расстояния до объекта на основе единственного сигнала».

Прибывшие чуть раньше фотоны отражаются в детекторе камеры в несколько иной позиции, чем частицы, прилетевшие позднее, что позволяет превратить временную развёртку светового импульса в пространственную.

В целом идея похожа на существующую технику, избавляющую «цифрофото» от синдрома «трясущих рук». Если вчера было 14 июля, а с утра вам уже нужно фотографировать, нередко изображение получается нечётким в силу того, что сигналы от нескольких положений камеры смешиваются в одном изображении, делая его похожим на тень отца Гамлета. Накладывая при помощи ПО некоторые ограничения на модель изображения — например, ограничивая время одного колебания руки снимающего реальными параметрами, обычно характеризующими трясущиеся конечности, — картинку можно приблизить к исходной, сделав её значительно резче.

В новой технологии (назовём её «нанофотографированием»), использующей описанную выше обработку снимков, в первую очередь восстанавливаются несколько наложенных изображений, получаемых по одной траектории, а не большое изображение на значительной площади. В итоге накладывающиеся изображения от поверхности капли и даже от слегка изменяющего своё местоположение объекта обрабатываются по-разному, позволяя получить близкую к реальности картинку как капель, так и полупрозрачных и быстро движущихся объектов. Фактически лишь изменяя ПО камеры с быстрым активным светоисточником, удаётся воспроизвести реальную картину поведения наблюдаемого объекта на всей отслеживаемой траектории, как если бы камера действительно делала до миллиарда кадров с секунду.

Ранее уже создавалась камера, способная вести съёмки по такому методу со скоростью 0,58 трлн кадров в секунду. Однако её стоимость из-за использования фемтосекундного лазера устремлялась к нескромному полумиллиону долларов, что не позволяло говорить о выходе устройства на массовый рынок:

Новая нанокамера получает точное положение объекта, посылая к нему импульс не фемтосекундной (квадрилионная секунды), а лишь наносекундной (миллиардная секунды) длительности. Да, количество «кадрсекунд» упало на тысячу, но и оснащать камеру можно обычными светодиодами с управляемым излучением, а вовсе не дорогущим лазером. В итоге камера «подешевела» в тысячу раз уже при экспериментальном изготовлении.

Казалось бы, зачем всё это нужно, когда обычные цифровые устройства и так неплохи и при этом дешевеют год от года?

Дело в том, что стандартные камеры функционируют по типу человеческого глаза, оценивая среднее количество света, доходящее от объекта. Но у нас прямо за глазами находится высокоэффективное обрабатывающее устройство, которое, несмотря на такую усреднённость получаемого изображения, способно интерпретировать сигналы, отсеивая капли дождя и оценивая расстояние до наблюдаемого объекта вполне точно даже при недостаточном исходном качестве изображения.

Цифровые камеры не могут создавать 3D-изображение, поскольку не оценивают с нужной точностью расстояние до снимаемого предмета. Нечто подобное делают лидарные камеры, но вот стоимость такого устройств пока зашкаливает, чего не скажешь о представленной нанокамере. И именно поэтому у новинки практически нет альтернатив в целом ряде отраслей.

• Во-первых, конечно, из-за её отсутствия даже Kinect второго поколения смотрится слегка неуклюже, да и другие разработчики игровых контроллеров могли бы добиться с ней многого.
• Во-вторых, в целом ряде медицинских направлений, включая телемедицину, очень важно оценивать точное расстояние между различными объектами, разнесёнными не только по плоскости экрана, но и по глубине своего присутствия в изображении. Отсюда, так сказать, налицо потребность в действительно трёхмерном зрении, и это как раз то, что у новой камеры получается лучше, чем у всех предшественников.
• В-третьих, именно отсутствие эффективных видеокамер, не использующих дорогие лазеры и способных видеть через дождь, снег и туман, считается главным тормозом на пути недорогих машин без водителя (вроде Google Prius), но при этом не стоящих более $50 тыс. Нынешние робомобили, вынужденные полагаться на лидары высокого разрешения, без них не в состоянии быстро ориентироваться в пространстве, без чего на дороге им просто нечего делать.

Внедрение нанокамер действительно приблизит беспилотные авто по цене к обычным, ибо они на порядок-другой дешевле лидаров, но при этом эффективнее их в тяжёлых погодных условиях.